基于Z I G B E E技術(shù)的無線車輪傳感器的探討

北京康拓紅外技術(shù)股份有限公司 李柳竺 曲 歌

基于Z I G B E E技術(shù)的無線車輪傳感器的探討

北京康拓紅外技術(shù)股份有限公司 李柳竺 曲 歌

針對目前有線列車車輪傳感器安裝距離遠(yuǎn)、施工困難、不易組網(wǎng)等問題，結(jié)合zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計了一套新型的無線車輪傳感器。本文通過對Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的分析，利用車輪傳感器、信號轉(zhuǎn)換模塊和CC2630無線收發(fā)模塊共同組成了無線車輪傳感器傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺，并進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明，該無線車輪傳感器系統(tǒng)安裝和施工簡便，傳輸性能良好，有較好的應(yīng)用前景。

車輪；車輪傳感器；ZIGBEE；無線傳輸

1.引言

隨著鐵路的不斷提速，鐵路線路的安全生產(chǎn)成為了鐵路部門重點管理的一項工作，鐵路沿線的施工和設(shè)備安裝都必須要在規(guī)定的天窗時間內(nèi)完成。列車車輪傳感器是安裝在鐵軌上的一種探測車輪的傳感器，具有開機(jī)、計軸、測速等功能，是鐵路5T監(jiān)控系統(tǒng)必不可少的組成部件。目前，車輪傳感器的傳輸采用電纜傳輸?shù)姆绞健．?dāng)用于設(shè)備開機(jī)的觸發(fā)器時，需要挖一條近100米長的電纜溝，施工比較困難。為了提高施工和設(shè)備安裝的效率，減少施工工作量，本文提供和討論了一種基于Zigbee的無線列車車輪傳感器。

此無線車輪傳感器系統(tǒng)主要是采用無源車輪傳感器、信號轉(zhuǎn)換部分和Zigbee模塊組成。由于Zigbee協(xié)議的開源性和免費性，不需要再增加其他的部件。相比于傳統(tǒng)無線技術(shù)和有纜車輪傳感器，基于Zigbee的無線車輪傳感器有如下的優(yōu)點：

1）低功耗。由于鐵路探測站經(jīng)常位于野外，需要具備無人值守的條件，低功耗對于使用的壽命來說尤其重要。Zigbee模塊的功耗僅為1mW左右，一般情況下，能工作1年半左右，滿足鐵路對維護(hù)時間間隔的要求。

2）成本低。基于Zigbee的無線車輪傳感器的整體造價比有纜車輪傳感器低近30%。

3）時延低。相比于普通的無線技術(shù)，Zigbee模塊的時延非常短，適合應(yīng)用于5T系統(tǒng)。

4）傳輸安全性和可靠性高。相比于普通的無線技術(shù)，Zigbee模塊采用AES加密，破解困難，傳輸質(zhì)量高，可以通過重復(fù)發(fā)送直到確認(rèn)傳輸完成和增加傳輸節(jié)點的方式來保證傳輸質(zhì)量。

5）組網(wǎng)便捷。Zigbee模塊的信號傳輸距離一般為70米左右，如果加上用于中繼的Zigbee模塊，理論上可以無限遠(yuǎn)。在組網(wǎng)的時候，Zigbee模塊安裝方便快捷，能迅速連入實現(xiàn)組網(wǎng)，滿足鐵路施工的要求。

2.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要包括三部分：傳感器部分、信號轉(zhuǎn)換部分和數(shù)據(jù)傳輸部分。傳感器部分采用磁感應(yīng)線圈作為信號采集硬件，并對信號進(jìn)行處理后得到車輪信號。信號轉(zhuǎn)換部分具有傳感器信號處理、信號轉(zhuǎn)換等功能。數(shù)據(jù)傳輸部分由Zigbee模塊組成，將傳感器的信號進(jìn)行傳輸并發(fā)送給上位機(jī)。

如圖1所示為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的要求，信號流程如下：當(dāng)列車的車輪軋過車輪傳感器時，由于車輪切割傳感器的磁場產(chǎn)生電流，生成了一個正弦波信號。該信號經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換部分，將信號進(jìn)行濾波和正弦波轉(zhuǎn)換，得到滿足采集要求的車輪信號。車輪信號經(jīng)過軟件的處理和轉(zhuǎn)換后，直接通過Zigbee模塊發(fā)送，經(jīng)過組網(wǎng)傳輸之后，室內(nèi)的模塊收到了該車輪信號的數(shù)據(jù)，上傳給控制主機(jī)，進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

3.1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用TI公司的模塊CC2630作為無線傳輸解決方案，并配合車輪傳感器、信號轉(zhuǎn)換模塊和外圍電路，形成用于鐵軌邊的一套無線車輪傳感器系統(tǒng)。CC2630由Zigbee收發(fā)模塊、128k的f l ash、8k的SRAM、AD采集模塊等組成，功能強(qiáng)大且功耗極低，適應(yīng)工作溫度為-40℃至85℃，能滿足野外長時間工作的需求。另外，CC2630還有多個I/O控制、AES加密解密內(nèi)核、多個定時器等附屬模塊，且具有多種工作模式，能夠?qū)崿F(xiàn)超低功耗運行，可以滿足不同條件下的控制和應(yīng)用需求。24MHz晶振用于給處理器提供時鐘，達(dá)到48MHz的時鐘速度。32.768KHz晶振用于睡眠模式時為系統(tǒng)和看門狗提供睡眠時鐘，以降低功耗。

CC2630的AD模塊達(dá)到 12位精度，速率為200MSPS，可以用于直接采集傳感器的模擬信號。

室外通信節(jié)點的硬件設(shè)計由外圍電路、CC2630模塊和接口外殼組成，針對Zigbee的工作要求，設(shè)計了電源處理電路、高溫報警電路和過流保護(hù)電路等，以滿足長時間運行的需要。

機(jī)房內(nèi)協(xié)調(diào)節(jié)點主要起著接收各傳感器節(jié)點信號，轉(zhuǎn)發(fā)給控制主機(jī)的作用。協(xié)調(diào)節(jié)點直接由主機(jī)進(jìn)行供電，當(dāng)各傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)接收到之后，進(jìn)行簡單的處理和確認(rèn)，然后上傳給控制主機(jī)。

信號轉(zhuǎn)換模塊主要由濾波模塊、電源模塊和限幅模塊組成，起到對傳感器信號濾波、降幅和限幅的作用，保證輸入Zigbee信號的完好和易于采集，實現(xiàn)阻抗的匹配。放大芯片選用了TI的TLV8812芯片，該芯片屬于超低功耗和低工作電壓的芯片，最大工作電流為850nA。整體的工作電流為0.02mA，使用兩節(jié)5號電池供電能用5年，滿足系統(tǒng)功耗的要求。

3.2 可靠性設(shè)計

由于1號車輪傳感器的信號關(guān)系到系統(tǒng)的開機(jī)探測，可靠性非常重要，在系統(tǒng)中我們采取了一些設(shè)計，保證車輪傳感器的信號迅速、準(zhǔn)確、有效的傳遞給控制主機(jī)。

1）冗余設(shè)計。通過增加Zigbee模塊在1號車輪傳感器的數(shù)量，保證能同時有兩個以上的模塊同時給主機(jī)發(fā)送車輪傳感器的信號信息。另外，把這兩個模塊同時接入Zigbee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，增加系統(tǒng)的傳輸可靠性。

2）中繼模塊設(shè)計。在1號車輪傳感器與2、3號之間，或者1號與機(jī)房之間，適當(dāng)?shù)脑黾覼igbee模塊，保證信號傳輸?shù)倪B續(xù)性，保證傳輸質(zhì)量和效率。

3）保護(hù)盒設(shè)計。設(shè)計了Zigbee模塊專用的防水保護(hù)盒，防水等級達(dá)到IP67，可以卡在鋼軌下方，同時天線通過塑封方式外露，延伸到鐵軌側(cè)面，保證RF信號不會受到遮擋。

4.測試情況

本系統(tǒng)在實際測試過程中，組成了5個室外節(jié)點和1個室內(nèi)節(jié)點的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。測試結(jié)果如下：

傳輸延遲為60ms，傳輸100%成功（雖有一次1號傳感器信號延遲增大到0.1s的情況但仍符合系統(tǒng)要求），經(jīng)過7天的高低溫試驗，系統(tǒng)運行正常。工作狀態(tài)下的功耗為1.2mW，預(yù)計兩節(jié)5號電池能至少工作半年。

5.結(jié)束語

本文通過對基于Zigbee的無線車輪傳感器系統(tǒng)的設(shè)計和測試，實現(xiàn)了列車車輪傳感器的無線傳輸。通過布置多個傳感器節(jié)點和Zigbee傳輸節(jié)點，能實現(xiàn)對列車車輪探測的可靠性、準(zhǔn)確性和實時性。經(jīng)過驗證，該系統(tǒng)具有成本低、安裝便捷、運行安全可靠、無人值守等特點，具有較高的應(yīng)用價值。